保压取心钻具球阀工作动力学分析

保压取心技术可以使取出的岩心保持在原位状态下,最大限度地减少岩心重要数据的丢失,进而准确获取地下矿产资源储量和地层参数。本文利用数值模拟研究保压取心钻具的球阀机构,探索其动力学特性,优化球阀机构,增加其密封可靠性。分析结果表明,随着关闭推力的增大,球阀关闭时间缩短,产生的振动增大,易造成密封失效,需选择较小的推力提高密封的可靠性;随着接触面摩擦系数的降低,产生的振动反而增加;翻转到位后球阀在30 MPa条件下,其应力、应变皆在球阀的许可范围内,满足使用需求。该项研究对于指导球阀机构的优化设计及提高其工作可靠性具有重要的意义。

海底保压钻具密封结构的设计与分析

保压钻具是实现海底天然气水合物保压取样的关键装置。为保证海底钻机的保压取样,设计了一种用于海底钻机的保压钻具,采用有限元软件对钻具两端的密封结构进行了分析,并在实验室开展了保压试验。仿真分析结果表明,两种密封结构在设计工况下均有足够的接触应力和接触面积;实验室试验结果表明,在24h的保压过程中管内压力降低了0.2MPa,仅为原管内压力的0.8%,说明该密封结构可以满足设计工况要求。

天然气水合物非干扰绳索式保温保压取样钻具的研究

由于天然气水合物存在环境和性质的特殊性,使保温保压取样技术成为获得原位天然气水合物最有效的方法之一。保温保压取样钻具是获得天然气水合物真正物化特性的主要器具。通过多年对天然气水合物保温保压取样钻具的试验研究,设计了专门用于取海底沉积物和未成岩地层中水合物的非干扰绳索式保温保压取样钻具。介绍了钻具的结构、特点,及其配套的保温保压系统关键机构的功能、特点。对取心工艺和进行的海上功能性试验进行了详细说明,试验结果达到了设计要求。

海域天然气水合物保压取心钻具的研制与试验

天然气水合物的勘探和开发需要从地层中获取保压岩心进行地层的物化性测试、储量评估以及开采工艺等方面的研究。然而,钻探过程中,伴随温度和压力的改变,天然气水合物很容易发生分解,这给水合物钻探取心工作带来了很大的困难。为了解决天然气水合物保压取心钻具的保压可靠性问题,开展了一种新型齿轮-齿条关闭球阀式水合物保压取心钻具的研制,采用绳索打捞的提拉力驱动球阀工作。详细介绍了该保压取心钻具的结构和工作原理;计算了球阀的工作密封比压及打捞内管所需的提拉力;介绍了该保压取心钻具的室内试验和海试情况。研究表明:该水合物保压取心钻具的取心工艺简单、球阀翻转和密封性能良好、取心成功率高,各项功能和性能指标均达到了设计的要求。

海洋保温保压取样钻具的研制

针对天然气水合物储层环境,依托中国地质调查局地质调查项目"水域地层原位钻探取样器具设计及工艺研究"研制了海洋保温保压取样钻具。在室内试验的基础上,依次在浅水及深水对研制的钻具进行了功能性海试,改进后在1392 m深海进行了保温保压取样钻具功能性试验获得成功,为我国今后在海域天然气水合物勘探取样奠定了坚实的基础。

保压取样钻具内岩心温压采集器的研制与应用

在绳索取心钻探过程中,井底温度与压力的实时测量,有助于改进取心工艺,提高岩心采取率;同时岩心在井底的原位测量数据对于了解岩心的物理特性有着重要意义,这一点在海域天然气水合物勘探中尤为明显。本文主要介绍了一种内置于保压取样钻具中的温压采集器的结构及其工作原理。该采集器采用干电池供电,单次工作时间>72 h,能够采集与存储整个取样过程中岩心管内的温度与压力参数,与电脑端连接后就能得到全部数据。通过搭载海洋地质十号钻探船,该采集器完成了一个回次的海试试验,得到了整个绳索取心钻进过程的温度与压力数据。经过分析,收集到的数据与实际取心工艺过程相符,数据平稳可靠。

日本南海海槽天然气水合物取样调查与成功试采

日本在实施天然气水合物研发计划(MH21)的第一阶段(2001—2008)及之后,作为合作伙伴,参加了加拿大Mallik和美国阿拉斯加陆域永冻层的水合物试采工程项目,并在本国南海海槽分别于2000年和2004年实施了水合物探井施工和多井钻探取样调查。从MH21第二阶段(2009—2015)开始,日本加强了对南海海槽东部的钻探、取样调查,运用新研发的CDEX hybrid PCS系统采取保压岩心;运用PCCT压力岩心测试鉴定仪器,对含水合物沉积地层的岩样作精密测试分析;提出水合物开采环境效应评估(EIA)研究战略,运用综合方法认真实施EIA调查,以及对海域水合物生产环境监测系统,包括海底甲烷泄漏监测仪(MLMS)、海底变形测量仪(SDMS)等予以布署。2013年3月12—18日,日本在南海海槽东部深水水合物储层实施了第一次天然气水合物的试采。六日内累积生产气量约120000 m^3,平均日产气量20000 m^3。这是世界上第一次海域天然气水合物成功的试采工程,是国际天然气水合物开发史上的一座里程碑。但是,天然气水合物的商业化开采在国际上将是一个艰难、漫长的过程。

美国阿拉斯加北坡永冻带天然气水合物研究和成功试采

阿拉斯加北坡(ANS)永冻带蕴藏着丰富的天然气水合物资源,该地区是美国天然气水合物研究开发的特定目标之一。自1970’年代起,美国先后研发的PCB和PCS天然气水合物保压取心器应用于DSDP、ODP、IODP和ANS。第一口旨在研究阿拉斯加天然气水合物的热冰1井于2004年初完成。该井虽然没有钻遇到水合物层位,但是许多新开发的技术,如北极钻井平台、移动式岩心实验室、智慧钻井等成功地获得了应用。艾尔伯特山1号研究井于2007年2月顺利地钻至914 m,全井取心率85%,并进行了测井和运用组合地层动态测量仪对井下压力测试,完成了全部预期研究目标。对"自然产生的"和由"油气钻采工业诱发的"与水合物相关的地质灾害进行了研究,后者主要分为3类,即穿越天然气水合物钻探、穿越天然气水合物深部油气开采及开采天然气水合物的生产。对天然气水合物,特别是运用CO_2-CH_4置换法开采水合物的理论和实验室的研究,在美国许多学术机构和大学有成效地进行了许多年。2012年5月,康菲公司与日本国家油气与金属公司(JOGMEC)以及美国能源部(DOE)合作,运用CO_2-CH_4置换法,圆满地完成了Ignik Sikumi#1井的天然气水合物试采。在38天返排期间气体生产的30天内,累积生产甲烷气体约28317 m^3(100万scf)。该项试采工程结果表明,CO_2-CH_4置换法是天然气水合物开采重要而有效的方法之一,它可在较大程度上减少对环境的污染和破坏。